分流管强化热虹吸管沸腾传热理论分析

分流管强化热虹吸管沸腾传热理论分析

1强化管的应用近年来，各种改进的传热元件在使用管壳换热器中发挥了很大的潜力。它一方面可以节约大量的金属管材、降低设备费用,以获得较高的经济效益;另一方面可显著提高工厂的热能利用率、降低能耗和生产费用,亦可减少燃料燃烧造成的环境污染。因此,在换热器中采用强化管已是国内外发展趋势。然而,将管内强化传热技术用于热管换热器中的研究则刚起步,而热管内部强化传热是热管换热器强化传热研究的一个重要方面,本文对热管内部设置分流管结构强化沸腾传热机理进行理论研究,并通过数值模拟计算研究了热管管内强化传热对热管换热器结构及性能的影响。2热交换器的传热数学模型分析在热管换热器中,冷、热流体间的热量传递是靠热管内工作介质蒸发和冷凝的相变过程耦合在一起的,根据热平衡有:热流体侧:冷流体侧:3强化管内部设置热虹吸管又称重力热管,与普通热管一样,利用工质的蒸发与冷凝来传递热量,且不需要外加动力而工质自行循环。但与普通热管所不同的是热管内没有吸液芯,冷凝液从冷凝段返回蒸发段不是靠吸液芯产生的毛细力,而是靠冷凝液自身的重力。热虹吸管内部传热机理表明:热虹吸管工作时,蒸发段主要是核态沸腾。加热壁面上气泡的产生和脱离的过程是影响核沸腾换热的决定因素,而气泡在加热壁面上产生后对气泡的成长过程起决定作用的是气泡附近液体微层的蒸发,即加热面上液体沸腾的主要热阻来自微层液膜,微层越薄,热阻越小。而微层蒸发只能在汽液界面上进行,所以,接触面积的增大、微层蒸发时间的延长将有助于沸腾换热的增强,如图1所示,在热虹吸管内部设置分流管可以起到强化沸腾换热的效果。分流管强化沸腾传热的主要机理是扩大薄液膜的覆盖面积和增强对汽泡周围液体的扰动。因此,首先通过一些能够反映微层液膜特征参数和分流管几何尺寸的准则数来建立分流管强化沸腾传热的准则方程,并通过试验验证其正确性。本文采用分流管强化核态沸腾的机理与文献的报道很相似,所不同的是分流管上开有不同数量的小孔。因此,本文对文献作一些修正,得出下列关系式:从关系式(7)中可以看出:当s减小时,则微膜变薄,传热增强,但流体的流动阻力增大,传热能力下降;当s增大时,环隙对汽泡的抑制作用减小,即:分流管对强化传热的效果降低。这里将环隙s作为单值函数来考虑是很不全面的,故用环隙和分流管的对数平均截面积与热虹吸管内截面积之比ϕ来表征与分流管几何参数有关的一个特性准则。此外,从机理分析中可知,汽泡的产生受工作压力的影响也是不容忽略的。文献对七组不同结构的强化管在充液率为45%～55%的范围内作了大量的实验,获得330组实验数据,并得出以下结论:分流管结构尺寸对沸腾传热系数有很大的影响,在一定的开孔范围内开孔率越大越好,在工程制造许可范围内,管间隙越小,液膜厚度越薄换热效果越好;在本实验范围内,最佳分流管开孔率是33%,最佳环隙在4.5mm左右;强化管蒸发段传热系数也有明显提高,大约提高2～3倍;通过实验值回归得分流管强化传热准数方程式:4冷流体侧温度分布测量为验证上述分析的正确性,建立热管换热器实验台,热管换热器在逆流条件下操作。主要结构参数列于表1中;主要性能参数列于表2中。为测量冷流体侧温度分布,从冷流体进口处管排开始,每隔一排热管设置一对热电偶,测量相应位置处的冷流体温度。热侧主要采用取样测试的方法,在热侧的第5排、第13排、第23排、第31排的管子轴线平面位置处和第17排与第18排的中间位置处各布一个铠装热电偶测量相应位置处的热流体温度;5热管换热器结构参数测试分析由上所述,在热虹吸管中采用强化措施,即可改善热管传热性能,同时亦可提高传热能力,在本计算实例中,采用内插分流管的强化传热管作为热管换热器传热元件,通过有限差分法对方程(1)～(6)进行离散,并采用FORTRAN90计算软件编制计算程序。计算了普通热管换热器与强化管换热器的流体温度分布、管壁温度与沿流体流动方向各管排热管管内蒸汽温度。表3列出了普通热管换热器与强化热管换热器总传热量数值计算结果与实验对比分析,结果表明计算误差均在10%以内,证明了本文提出的热管换热器强化传热方法与数值计算方法是可行的。图2与图3表明普通热管换热器与强化热管换热器壳侧冷、热流体温度场对比分析,图中OP代表普通热管换热器,EP代表强化热管换热器。从图2与图3中可以看出,普通热管换热器冷、热流体侧温度测量值与计算值基本吻合,误差在10%以内,对于强化换热器1与2,由于内插分流管的热管换热系数大约提高2～3倍,单根热管传热能力增强,使得强化热管换热器传热能力增强,在相同的热流密度下,强化热管换热器沿流动方向管排数大为减少,这一结果为热管换热器结构优化提供了依据。图4为热管换热器冷凝段管壁温度分布。由于采用强化管,管内传热系数提高,传热热阻降低,使得强化热管换热器热管元件管壁温度下降,这说明在保证避免露点腐蚀的条件下,热管换热器性能得到明显改善。图5表明热管管内蒸汽温度沿流体流动方向的分布。图中可以看出,强化热管换热器热管管内蒸汽温度下降约5～10℃。对于碳钢-水热管,由于管内蒸汽温度须保证在250℃以下,因此,导致热管换热器只能回收150～350℃的烟气。模拟计算结果表明,热管管内采用强化措施可以为拓宽热管换热器温度使用范围奠定基础。6热管换热器结构(1)在热管内放置同轴多孔管是一种非常有效的强化换热方法;(2)热管内部强化传热有利于提高热管换热器传热能力、改善热管换热器传热性能及优化热管换热